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技术 | IGBT规格书详解-虚拟结温(Tvj)

电力电子技术与新能源

11月前浏览489

IGBT模块规格书包含很多信息，一般会对模块的规格，技术特点，封装等做详细的描述。本文详细介绍了规格书中虚拟结温的几个参数Tvj,Tvj(max)以及Tvj(op)。

几个结温的意义。

Tvj

一般来讲，结温Tvj是指芯片“结”区域的温度，是与模块结壳热阻以及损耗相关的一个量。由于芯片的温度分布是不均匀的，在多芯片并联的模块中，不能准确表述某个芯片的温度，同时该温度也不能直接测量。因此，该变量被定义成“Tvj(虚拟结温)”，用以衡量一个或多个芯片的平均温度。虚拟结温的Tvj的引入也是为了定义结壳热阻，同时在基于结壳热阻的物理模型以及热沉温度（Heatsink）的条件下，来评估模块的安全工作温度。

Tvj(max)

Tvj(max)是规格书中更常见的参数。一般是指在开通状态下允许的最高结温。用于定义最大耗散功率，即当模块处于开通并通直流电流时产生最大耗散功率的安全结温上限。对于一些暂态的温度升高，也是不允许超过该值的。

Tvj(op)

Tvj(op)算是最重要的一个参数了，一般是指在考虑实际的应用工况情况下，主要是开关因素，或者其他因素等情况下，保证产品可靠应用的温度的范围（上限以及下限）。其中瞬态开关的结温超过Tvj(op)是允许的，或者说Tvj(op)的定义已经把瞬态温升考虑进来了。

几个温度的关系

根据上面Tvj(max)的定义可以得出一个结论就是Tvj(max)>Tvj(op)，Tvj(op)是要小于Tvj(max)的，一般来讲我们看到很多芯片这两个参数的特点也都这样，比如Tvj(max)=175℃，Tvj(op)=150℃；或者Tvj(max)=150℃，Tvj(op)=125℃。同时，一般而言在开关瞬间，结温是可以超过Tvj(op)的，但是不允许超过Tvj(max)。

Tvj既然是平均温度，意味着芯片上会有温度高的点和温度低的点。赛米控的AN里给出了一个芯片的热力图来描述这个特点，如下图。对于下图中的芯片，其最高点的温度达到了117.8℃，最低点的温度为76℃。根据Tvj的定义，这个芯片测量到的结温Tvj可能在96℃左右，比最高温度低了超过20℃。

这样可以看出，芯片的最高温度和Tvj还是有不小的差距。同时随着尺寸的增加，该差距还有可能进一步增加。我们知道目前很多芯片的Tvj(max)都达到了175℃。而上面提到芯片最热点的温度是要比Tvj要高出不少的，这就意味着，模块的结温在175℃的时候，最热点的温度会是更高的，应该能达到200℃甚至更高。

几个问题

短路的时候，瞬间的结温会超过175℃吗，可以超过Tvj(max)吗？

短路时刻的瞬态温度是可以超过175℃的，而且也是容易超过175℃的。Tvj超过200度也是很轻松的事情。同时对于比较薄的低压器件，这个温度值会更高。当然这种工况是不受欢迎的，应该也是对寿命有影响的。英飞凌在其规格书中指出芯片在整个寿命周期中短路工况要小于一定的次数(一般是小于1000次，间隔大于1s)。也有厂商认为，短路时，其实芯片已经进入潜在失效模式了。如果产品能扛得住，同时满足寿命周期内抗住一定的次数那产品就是合格的。

一些模块的Tvj(op)是等于Tvj(max)的，不需要留余量了吗?

是的，有不少产品的Tvj(op)都到了175℃，英飞凌的汽车级产品HPD系列模块，富士的M653，丹佛斯的DCM1000系列模块，都把Tvj(op)标到了175℃。都是跟Tvj(max)是相等的。那如果我把模块真的用到那么高的结温岂不是很危险？是的，是很危险的。这个问题其实是安全裕量的问题。Tvj(max)=175℃，Tvj(op)=150℃的模块这中间的25℃裕量是模块厂家自我设定的，对于模块在实际开关工况应用下的一个安全范围，可能考虑了寿命，短路温升等情况。而当前很多Tvj(max)=175℃，Tvj(op)=175℃的模块其实就是从可靠性，寿命等方面有了提升可以保证模块可以工作到更高的结温175℃。比如丹佛斯汽车级模块DCM1000平台的产品采用DBB技术，对于降低短路温升以及提高功率循环能力都有非常好的表现。因此其规格书中标注的Tvj(op)是175℃。

DBB技术对芯片表面温度分布的改善这一点，对于其产品在保证可靠性的前提下提高工作结温(Tvjop=175℃)应该也是起着非常重要的作用

当然，我们一般也会在厂家给出的参数基础条件下设计一定的降额来提高产品的可靠性，和增加安全余量。这也是为什么最高结温不超过125℃成为了一个为人熟知指导数值。它是在150℃的基础上，从应用的角度保留了25℃的安全裕量。这个裕量其实可大可小，设计能力好，验证的足，10℃的裕量那也是够的。回过头来对于Tvj(op)等于175℃的模块，同样，系统设计最高运行结温到150℃，160℃，甚至170℃，也都是可行的。

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来源：电力电子技术与新能源